地质勘探钻探技术应用探究

石 冰

（山东省地质科学研究院，山东 济南 250013）

地质勘探钻探技术发展和城市化建设、社会经济发展有一定关系，进入21世纪以来，我国开始推进城市化建设工作，各地经济水平快速提升，就当前的勘探情况来看，多地浅层矿物资源都已经被揭示，为进一步推进矿物勘探工作发展，开采深层的矿物，就需要结合实际情况以及具体的地质理论知识进行全面分析，以提高勘探安全水平，全面提升勘探开采效率。

1 基本概况

某矿区地貌属于典型黄土高原地貌，海拔高度在1300m左右，勘查区域地表大部分覆盖第四系松散沉积物，主要由全新统风积沙、现代河床冲积层、洪冲层构成，钻探揭露地层主要为侏罗系直罗组、侏罗系延安组、侏罗系安定组、三叠系上统瓦窑堡组等等，主要含煤地层平均深度在600m左右。该矿区煤层钻探充分参考既往钻探经验，采用普钻“打单管”的方式，技术水平相对较低，工人劳动强度较大，成本相对难以控制。针对该情况，技术人员探讨一种行之有效的钻进技术方法以及新的技术操作规程，采用全液压钻机、绳索取样技术以及设备，使用电脑采集、数据分析系统，力求提高钻探效果、质量[1]。

2 基本技术设计

2.1 冲洗液配比

技术人员经过商讨，发现该矿区煤层钻探主要存在两个方面的难点：一是松散地层的钻进，因采用全液压钻机、绳索取样技术的钻进环状间隙相对较小，故冲洗液在钻进过程中的上返速度较快，对孔壁冲刷相对作用较大，不利于井壁泥皮的形成，同时上钻、下钻产生的激动压力较大，容易导致钻孔超径或者孔壁坍塌。避免孔壁受到钻探影响，提高冲洗液的冲洗性能，保证冲洗液压力大于塌陷压力是保证钻探工作正常开展的首要条件；二是泥页岩水化问题，该矿区煤层主要为沉积地层，由粉砂岩、页岩构成，极其容易引发水化膨胀问题，进而影响冲洗液的固相状态，严重甚至会直接导致钻孔弯曲、卡钻等等，如何避免这些问题发生也是保证工作正常推进的关键要素[2-4]。

客观而言，松散地层的钻探工作难度必然大于本身持力性较好的地层，避免钻孔坍塌、避免水热化是钻探重点。采用的冲洗液不仅仅要有良好的流变性，同时还要能够合理控制固相含量。对此，国内有诸多学者提出了不同的技术建议，比如适量的无机盐成分能够在一定程度上降低冲洗液中水的活度，进一步诱发空隙流体向冲洗液中渗透，从而达到提高稳定性的目的，而KCI无机盐的效果得到了正式；相较于钠离子，钾离子的水化半径更小，对聚硅醇酸有较为良好的束缚效果，可避免粘土吸附在聚硅酸根表面，且钾离子比钠离子的聚沉能力更加出众，适当调整后，冲洗液对絮凝物的冲洗效果会更为突出[5，6]。

2.2 钻进参数

（1）是转速，转速直接影响勘探用金刚石钻头的钻进速度，一般情况下，转速越快，其钻进速度也就越快，具体应根据金刚石钻头的圆周线速度、外径进行调整，针对煤田地层，直径为113mm的钻头转速应控制在200r/m左右，直径为76mm的钻头，转速应控制在400mm左右。另外，在钻进过程中，若地质硬度较高，则应采用高速钻，若是岩层持力性交叉、裂隙发育、软硬不均、钻进振动较大，则应采用低速钻。

（2）是钻压，钻具在轴向载荷作用下施加力于岩石，因钻具的尺寸不同、形状不同，故产生的应力也存在较大的差异，就应力区域而言，一般压力、破碎区、深度成正比关系。该矿区煤层勘探采用复合片钻头，其钻压计算主要参考钻头复合片数、岩石矿压强度、复合片数的和岩石的实际接触面积。

（3）是泵量，在泵量的一般设计原则需满足冲洗液上返速度的具体要求，金刚钻钻进冲洗液的上翻速度应该控制在0.5m/s左右，金刚石绳索取芯钻进冲洗液上翻速度应控制在1m/s左右。类似该矿区煤层勘探，采用复合片钻头，泵量应参考表镶或者孕镶的实际参数，将泵量控制在该参数的30%左右。

3 实际钻探

该矿区煤层钻探实际使用复合片钻头，该工作原理和一般刮片钻头的工作原理基本一致，主要通过挤压、切割、剪切等多种方式破碎、割裂地层，通过克服岩层本身的剪切压力实现破碎，而非用过挤压强度来实现，所以在松散地层，相较于普通金刚钻头，复合片钻头表现出钻进效率高、切削速度快、钻头寿命长等等优势。一般煤矿附近地层以沉积地层为主，煤层附近地层偏软，具有发挥复合片钻头优势的基础条件。复合片钻头在实践中表现出以下特征：一是钻头寿命较长，全孔长度为534m，钻进过程中仅需要进行一个钻头更换，节约了大量时间，提高了钻探效率；二是复合片钻头本身耐磨性较强，具有进行横速钻进的基础条件，钻进过程中压力较小，转速相对较低，整体行进过程稳定，成本易于控制。经过测定，该矿区单孔钻进每米成本仅在2.37元左右，经济效益极为突出[7-9]。

3.1 断钻问题以及问题处置方法

钻杆在钻进的过程中，受到各种载荷作用影响，比如弯曲、扭转、振动、拉压、腐蚀、极其容易导致钻杆这段，尤其是金刚石绳索取芯钻进法，在复杂条件下，钻杆相对薄弱，更容易出现钻杆这段的问题。通常来说，加压钻进最大挠度在距离最深处1/3左右地段，钻杆折断问题发生概率较高。而钻杆折断必然会导致钻进效率降低，钻进效率降低又会导致钻杆折断几率增加，往复恶性循环，往往会导致钻探质量、成本失控，

该矿区钻进施工过程中共发生5次折断事故，技术人员事后对事故成因进行了系统分析：一是钻孔级配指数不合理，开孔采用直径为108mm的钻套，而后直接采用直径为73mm的钻杆开始钻进，孔壁间隙较大，钻压难以有效的施加在钻头上，钻进时效相对低下，钻杆折断的次数也极为频繁；二是钻压没有得到良好控制，技术人员前期对地层的认识不足，同时全液压设备施加的压力也较大，一味追求钻探效率，应力过于集中导致钻杆折断；三是冲洗液的配比设计不合理，钻进过程中出现塌孔现象。

钻进过程中采取的解决措施为：进一步改变钻孔结构，合理调整钻杆级配，控制钻孔环状间隙，控制钻进过程中的弯曲应力、弯曲挠度。建议，合理调整孔径、钻杆、接头之间的关系，同时改善冲洗液配比，保证冲洗液能够起到保护孔壁，减少钻杆吸附的效果，避免过激操作导致内部压力持续增加。另外，在条件允许的情况下提高钻杆强度，可考虑采用复合热处理钻杆。

3.2 冲洗液性能控制

钻进过程中常出现钻孔漏失、冲洗液固相失控的情况，进一步导致地层坍塌、钻进速度失去控制。具体的解决方法为：调整钻进循环槽的实际尺寸，现场增加除砂器等等设备，选择性子啊冲洗液中加入絮凝剂，改善冲洗液的固相状态。技术人员定期检验冲洗液的密度、粘度，判断冲洗液的固相状态是否服药要求，根据规定更换泥浆，或者进行稀释、沉降。冲洗液若需掺加黄原胶、纤维素等等高分子材料，需保证冲洗液提前进行了预水化，保证搅拌机始终保持稳定的工作状态，保证冲洗液中钾离子含量符合技术要求。

3.3 钻进参数控制

钻进参数控制主要是指针对当前孔深度、地层的实际情况，对扭矩、压力、钻进速度、冲洗液性能等参数进行灵活控制。该矿区地质勘探工作开展过程中，针对覆盖层、紫红色泥岩层、红纱层、蓝灰色泥岩层、蓝灰色砂岩层、灰色泥岩层、灰色砂岩层、煤层等灵活进行加减压力、调整转速、调整扭矩、调整泵压、调整漏斗粘度、调整密度以及钻进时效，技术人员记录下各个阶段的实际钻进情况，确保孔内情况能够正确得到反映，秉承“轻压、吊打”的基本原则合理控制钻压、钻进速度。

该矿区应用全液压钻进设备+复合片钻头+钻头绳索取芯技术，最终成功完成钻探任务，但是该技术在实际应用的过程中也存在诸多不足，该技术方案的优势以及不足具体表现为：一是全液压钻进设备相较于普通岩心钻机，在技术、安全、动力、操作性方面均有所改善，这也是国内外钻探技术发展的主要方向。该技术方案有突出的信息化控制系统，技术人员也根据实际情况灵活调整钻探参数，初步实现了智能化操作，且具有较高的转速调节范围，能够有效适应各种情况。同时，该技术方案的动力头行程相对较长，可有效减少倒杆次数，避免孔洞堵塞，配备其他设备，现场施工作业人员劳动量大幅度降低，且能够提高现场施工安全水平。二是该技术方案在国内的应用案例相对较少，技术经验、施工经验均有所不足，技术人员在智能化控制方面还需进一步磨练，其显示的技术参数存在一定的局限性，该技术方案对搅拌机的考虑相对较少，搅拌机经常出现意外事故。另外，设备在高强度的工作条件下出现漏油问题，对设备的养护、管理要求较高。

4 结束语

地质勘探钻探技术是经济建设、国防建设、科学技术发展的基本需求，地质勘探钻探技术同时整合测绘、地球物理勘探、地球化学勘探、钻探、坑探、地质遥感等等技术方法，实现对一定区域内岩石、地层构造、矿产、地下水、地貌等地质情况进行的调查研究工作。根据国家自然资源部发布《中国矿产资源报告2018》显示，2017年，全国地质勘查投资782.85亿元，较上年增长1%，连续四年下降后首次回升。其中，油气矿产地质勘查投资584.49亿元，增长10.8%；非油气矿产地质勘查投资198.36亿元，下降19.8%。总体来看，我国资源类地质勘探钻探技术应用需求逐步提升，而各类矿物资源的勘探技术要求不断提升，这就需要广大从业者不断提升地质勘探钻探技术水准。

事实证明，上述矿区采用的复合片钻头可有效应对松散地层钻探需求，该钻头不仅实际使用寿命长，且能够提高钻进效率。事实上，煤炭钻进设备相较于天然气、石油行业一直较为落后，国内技术水平和国外仍旧存在一定的差异。冲洗液的有效调配是保证顺利钻孔的关键要素，在任何地质环境中钻进勘探，都不能忽视冲洗液的配置以及调整。上述内容不仅有技术经验，同时也有教训，望广大从业者加以重视，并在实践中不断探索、完善。